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I.E.S. Cuenca Minera Dto. Tecnología

TEMA 5: NEUMÁTICA E HIDRÁULICA

1.- CONCEPTOS BÁSICOS2.- PRINCIPIOS FÍSICOS

2.1.- LEYES DE LOS GASES IDEALES2.2.- LEYES DE LOS FLUIDOS NEWTONIANOS2.3.- CIRCUITOS NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS

3.- PRODUCCIÓN DEL FLUIDO A PRESIÓN

3.1.- COMPRESORES VOLUMÉTRICOS3.2.- TURBOCOMPRESORES3.3.- BOMBAS DE ACEITE

4.- DISTRIBUCIÓN Y ACONDICIONAMIENTO

5.- ACTUADORES

5.1.- MOTORES5.2.- CILINDROS

6.- CONTROL DEL FLUIDO

6.1.- VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS6.2.- VÁLVULAS DE BLOQUEO6.3.- VÁLVULAS REGULADORAS

7.- CIRCUITOS

7.1.- CIRCUITOS AUTOMÁTICOS Y SEMIAUTOMÁTICOS7.2.- COMENTARIO DE CIRCUITOS 7.3.- ELECTRONEUMÁTICA

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1.- CONCEPTOS BÁSICOS

Industrialmente, la neumática y la hidráulica son técnicas que consisten en dar presión a un fluido (aire o aceite respectivamente), lo canalizan y dirigen hacia receptores que desplazan objetos mediante la fuerza que ejerce esa presión. Hay varios parámetros que influyen en estas técnicas, y que son:

• TEMPERATURA: Es una medida del movimiento de los átomos y moléculas que componen un material, y el estado teórico de velocidad nula de las partículas corresponde al cero absoluto en la escala Kelvin. Pero la medida de la temperatura se realiza comunmente con la escala Celsius, basada en los puntos de congelación y ebullición del agua.

* VOLUMEN Y CAUDAL: El volumen es el contenido de un recipiente, y en el Sistema Internacional se mide en metros cúbicos (m³), que es el contenido de un cubo que tenga un metro de arista. Pero esta medida es muy grande para las técnicas neumáticas e hidráulica, por lo que es más corriente usar el litro (1000 litros = 1 m³) o el centímetro cúbico (106 cm³ = 1 m³; 1000 cm³ = 1 litro). Se simboliza con la letra V.

El caudal es la cantidad de volumen que atraviesa una sección durante una unidad de tiempo. Se suele medir en litros por minuto o litros por segundo. El caudal se simboliza con la letra Q.

* PRESIÓN: Es la medida de la concentración de una fuerza respecto a la superficie en que se aplica, y viene dada por la expresión:

p = F / S

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Cuanto mayor sea la fuerza o menor la superficie en que se aplica, mayor presión existe. La presión se simboliza mediante la letra p (minúscula).

En neumática e hidráulica se da presión a un fluido y se traslada éste hasta émbolos que se desplazan por efecto de la fuerza que ejerce el fluido sobre la superficie. Evidentemente, esta fuerza viene dada por la expresión:

F = p · S

La presión absoluta del fluido actúa sobre una cara del cuerpo que se quiere desplazar, y sobre la cara opuesta actúa normalmente la presión atmosférica. La fuerza neta sobre el objeto en realidad viene dada por la diferencia entre ambas presiones, y a este valor se le llama presión relativa o manométrica. En la industria a la presión relativa se le llama presión de trabajo, que es el valor con el que trabajaremos en lo sucesivo.

La unidad de presión en el Sistema Internacional es el Pascal (Pa) equivalente a la presión que ejerce una fuerza de 1Newton sobre un metro cuadrado de superficie. Pero este valor es muy bajo, por lo que la presión de trabajo se suele medir en atmósferas, en bares o en megapascales:

1 atm ≈ 1 bar = 1 kp/cm² ≈ 0,1 MPa

* ENERGÍA Y POTENCIA: La energía neumática es el trabajo que realiza el fluido, y que se calcula como el producto de la fuerza que ejerce éste por el desplazamiento que produce:

E = p · S · x

La potencia vuelve a ser la velocidad con se genera o consume una energía, que se traduce en la expresión:

P = p · S · x/t

Por otro lado, el producto S · x es el volumen que hay dentro del espacio en que actúa el fluido, por lo tanto la expresión de la potencia neumática o hidráulica viene dada por:

P = p · Q

Con los parámetros anteriormente vistos se diseñan las instalaciones, determinando la potencia que debe tener la bomba, el diámetro y rugosidad de las tuberías, tamaño de las válvulas, etc.

2.- PRINCIPIOS FÍSICOS

La diferencia fundamental entre las tecnologías neumática e hidráulica estriba en el fluido que utilizan, pues la neumática trabaja con aire, que se estudia como gas ideal compresible, y como gas,

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llena completamente el recinto en el que está contenido.

Por su parte, la hidráulica trabaja con aceite, y se teoriza su comportamiento como de líquido incompresible, que adapta su forma al recinto que lo contiene pero no puede variar su volumen.

2.1.- LEYES DE LOS GASES IDEALES

* Ley de Boyle y Mariotte

Manteniendo la misma temperatura, el volumen del gas se reduce cuando la presión aumenta, es decir, son inversamente proporcionales.

p · V = kT

* 1ª Ley de Charles y Gay-Lussac

Manteniendo la misma presión, al aumentar la temperatura, aumenta el volumen del gas, es decir, son directamente proporcionales.

V = kp · T

* 2ª Ley de Charles y Gay-Lussac

Manteniendo el mismo volumen, la presión del gas aumenta cuando la temperatura aumenta, es decir, son directamente proporcionales.

p = kV · T

Las tres leyes se conjuntan en la ecuación de estado, fundamental de los gases perfectos y aplicable a los gases reales con mucha precisión:

p · V = N · R · T

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2.2.- LEYES DE LOS FLUIDOS NEWTONIANOS

* Principio de Pascal

Este principio se enuncia mediante dos partes:

- La deformación y desplazamiento del líquido se realiza sin gasto de energía.

- La presión en cualquier parte del líquido es independiente de la dirección que se considere.

* Ley de continuidad

Un líquido ideal debe aumentar su velocidad cuando se estrecha la sección por la que debe pasar, es decir, ambas magnitudes son inversamente proporcionales.

v · S = k

2.3.- CIRCUITOS NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS

Los diferentes comportamientos de ambos fluidos conllevan que los elementos usados en los circuitos neumáticos e hidráulicos difieran en su constitución, aunque su función sea totalmente análoga. De hecho, la simbología funcional es la misma en ambos casos. Otra consecuencia está en que el aire se expulsa a la atmósfera después de su utilización, mientras que el aceite debe ser recuperado para reiniciar con él un nuevo proceso de trabajo.

Todas las instalaciones responden al siguiente esquema:

• Producción y acondicionamiento del fluido a presión.

• Distribución. • Utilización.

3.- PRODUCCIÓN

Para dar presión al aire se utilizan los compresores, que absorben aire del ambiente y reducen su volumen, transformando energía cinética de rotación que reciben de un motor en presión del gas compresible. Éstos, a su vez, pueden ser de dos tipos: volumétricos o turbocompresores.

Por su parte, en las instalaciones hidráulicas el fluido simplemente se impulsa mediante bombas. Como el aceite no se puede comprimir, las bombas siempre tienen asociado un dispositivo para permitir el escape de aceite sobrante.

3.1.- COMPRESORES VOLUMÉTRICOS

Obtienen la presión cuando reducen físicamente el volumen de la masa de aire, y suelen ser de los tipos:

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Compresores de pistón

Se trata de un sistema biela-manivela que absorbe aire a través de una válvula de admisión y después de reducir la cavidad, lo expulsa por una válvula de escape.

Compresores de paletas

Un cilindro o rodete excéntrico respecto al eje de giro mantiene por fuerza centrífuga a unas paletas contra el cárter, y al girar absorben e impulsan al aire hacia los conductos de salida. El funcionamiento de estas máquinas se realiza de forma más continua que los anteriores.

3.2.- TURBOCOMPRESORES

Estos compresores trabajan en régimen continuo con grandes caudales de aire y la compresión se realiza de forma aerodinámica, dando energía cinética al aire en un rotor para luego transformar esa velocidad en presión al frenarlo en un estator. Los dos tipos de turbocompresores existentes son:

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Turbocompresor radial

El rotor absorbe aire por la parte delantera, lo hace girar y por fuerza centrífuga lo lanza contra el estator; de esta forma se va comprimiendo al aire que ya ha entrado anteriormente.

Turbocompresor axial

El rotor es una hélice de muchas palas que impulsa al aire hacia atrás, y el estator es otra hélice que endereza la corriente de aire. Al avanzar, el aire se encuentra con secciones cada vez más estrechas, comprimiéndose.

El aire se filtra antes de pasar al compresor y después del compresor se almacena en un depósito de acero a fin de asegurar el consumo y mantener la presión del circuito. El depósito dispone de un presostato (pulsador para arrancar o detener el compresor) y una válvula de seguridad para evitar sobrepresiones. Además tiene un tapón de purga para eliminar el agua producto de la compresión. Por último, el aire se filtra y se deshumidifica a través de un gel de sílice, para pasar a los conductos de distribución.

3.3.- BOMBAS DE ACEITE

Las bombas de aceite siempre son de tipo volumétrico, pues el líquido es incompresible y sólo

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se impulsa cuando se reduce la cavidad en que se recoge. Aunque suelen tener caudal fijo, a veces se varía la velocidad de impulsión para tener un caudal variable. Las bombas hidráulicas son de los tipos siguientes:

Bombas de engranajes

En el interior de una carcasa, dos ruedas dentadas engranan y giran para impulsar el aceite

Bombas Roots

Tiene dos lóbulos similares a ruedas dentadas que tuvieran dos únicos dientes redondeados.

En estas instalaciones el aceite está contenido en una central hidráulica que consta de un depósito con aletas de refrigeración, un motor eléctrico y la bomba. El aceite es aspirado a través de un filtro y pasa a la bomba, que lo envía a una válvula limitadora de presión que expulsa el sobrante y, después de pasar por una malla imantada para eliminar partículas metálicas, pasará a los conductos de distribución.

En todos los casos, los compresores y las bombas se representan por el mismo símbolo simple:

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4.- DISTRIBUCIÓN Y ACONDICIONAMIENTO

Las conducciones hidráulicas suelen ser muy cortas para evitar pérdidas de carga (pérdida de presión debida al rozamiento del líquido), y cuando se necesita una distancia larga, se usan instalaciones neumáticas. En ambos casos se usan tuberías rígidas de plástico o acero o bien racores flexibles de goma reforzada interiormente con malla de acero.

Para acumular el posible agua que condense, se inclina las tuberías con una pendiente entre el 2 y el 3% (baja 2 cm por cada 100 que avanza), y las tomas se realizan de forma que no arrastren gotas de agua.

Las redes de distribución de pequeña potencia suelen ser de un único conducto, pero en instalaciones industriales son circuitos más complejos, abiertos o cerrados, que aseguran que el aire llega a todas partes al menos por dos caminos. La velocidad del aire está limitada entre 6 y 10 m/s para tener unas pérdidas de presión menores a 0,1 atm.

Las derivaciones de la red para cada toma de servicio preparan el aire para su uso. En las instalaciones industriales se filtra por un elemento que centrifuga el aire, proyectando el polvo y las gotas de agua contra las paredes (antiguamente se hacía burbujear el aire a través de un baño de aceite). Después el aire se pasa por un regulador de presión y por último se le engrasa por efecto Venturi para lubricar piezas móviles.

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Estos tres pasos se suelen realizar mediante una única pieza que los combina, y que se llamad unidad de mantenimiento:

5.- ACTUADORES

Los elementos de trabajo pueden ser motores, si transforman la potencia neumática en movimiento de rotación, o cilindros si el movimiento es rectilíneo.

5.1.- MOTORES

Los motores neumáticos son normalmente de paletas, de funcionamiento inverso a los compresores de paletas. En este caso, las paletas son oprimidas contra la carcasa por medio de muelles:

5.2.- CILINDROS

Los cilindros están constituidos por un tubo cerrado por sus extremos, entre los cuales se desplaza un émbolo o pistón solidario con un vástago que atraviesa una o ambas tapas. Así, la presión del fluido actúa sobre una cara del émbolo y el movimiento se transmite mediante el vástago. Cuando el movimiento se aprovecha para causar un efecto, se le llama carrera activa o de trabajo. A la carrera de salida se le llama de avance, y de retroceso a la vuelta a la posición inicial.

Por la forma de hacer que retroceda el vástago, los cilindros se clasifican como:

* Cilindros de simple efecto

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El fluido solo alimenta una cámara, y la carrera de retroceso se obtiene por la acción de un muelle comprimido en la carrera de trabajo. Por tanto, sólo es activa la carrera de avance. A veces el pistón se sustituye por una membrana, y se obtienen cilindros usados para el bloqueo o fijación de piezas.

• Cilindros de doble efectoPoseen una toma a cada extremo del tubo. Al introducir fluido en la cara posterior y evacuarlo

de la anterior se obtiene una carrera de avance, y si se hace la operación inversa se tiene la carrera de retroceso. Ambas carreras pueden ser activas. Algunos émbolos tienen amortiguadores para evitar el choque al finalizar la carrera.

6.- CONTROL DEL FLUIDO

Las válvulas que controlan el paso de fluido a los elementos de trabajo pueden ser de tres tipos:

• distribuidoras

• de regulación • de bloqueo

Normalmente tienen una constitución complicada, pero su representación solo atiende a la función que realizan, lo cual simplifica el análisis y diseño de circuitos. Así representamos el símbolo y las líneas que representan los conductos o vías del fluido.

6.1.- VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS

Dan paso al fluido hacia distintos conductos según su posición, para su utilización en distintos lugares. Su representación responde al siguiente esquema:

* disponen de tantos cuadrados adyacentes como posiciones distintas tenga la válvula.* dentro de cada cuadrado se representan las conexiones internas entre las vías y el sentido de

circulación del fluido se representa por flechas.* las vías que se conectan a la válvula se representan dibujadas en el cuadrado correspondiente

a la posición de reposo de la válvula.* en los extremos de los rectángulos se representa el accionamiento y la recuperación de la

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válvula.

Válvula representada en posición sin pulsar Válvula representada en posición pulsada

* se designan por el número de vías seguido por el número de posiciones que tiene, y las válvulas más frecuentes son:

Válvula 3/2

Se utiliza para el control de cilindros de simple efecto.

Válvula 5/2

Se utiliza para el control de cilindros de doble efecto.

A veces, aunque raramente, se utilizan otras válvulas como son:

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Válvula 4/2

Poco usada por la dificultad de fabricación de la pieza que crea el cruce de vías.

Válvula 5/3

Sólo utilizada cuando se necesita que un cilindro de doble efecto se detenga en una posición intermedia de su recorrido. Su mando más corriente es mediante una palanca de tres posiciones.

Como se puede ver en los símbolos anteriores, la línea de presión se representa por una circunferencia con un punto dentro y las vías de escape se representan con un triángulo (salida de aire a la atmósfera para tecnología neumática) o una U (salida de aceite a un depósito en la hidráulica).

Escapes neumáticos (con y sin silenciador) Escape hidráulico

El accionamiento se representa con los siguientes símbolos:

Accionamiento manual

Mando por pulsador Mando por pedal Mando por palanca

Accionamiento mecánico

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Mando por rodillo Retorno por muelle Seguro o enclavamiento

Accionamiento pilotado

Accionamiento neumático Mando por electroimán

Y las vías de entrada a una válvula vienen indicadas mediante números o letras:

Toma de presión: 1 ó PVías de trabajo: 2, 4, ... ó A, B, ...Vías de escape: 3, 5, ... ó R, S, ...Pilotaje neumático: 12, 13, ... ó X, Y, ...

6.2.- VÁLVULAS DE BLOQUEO

Solamente permiten o bloquean el paso del fluido en determinadas condiciones, y su accionamiento no depende del operario. Tenemos los tipos:

Válvula antirretorno

Permite el paso en un sentido y lo bloquea en el sentido opuesto.

Válvula función OR o selectora de circuito

Permite que podamos introducir presión por dos conductos distintos, de tal forma que al

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introducir fluido por una entrada no se escape por la otra, y solo salga por la vía de salida. Esta válvula se usa para circuitos que se puedan accionar desde dos puntos.

Válvula función AND o de simultaneidad

Bloquea el paso de fluido hacia la salida a menos que se tenga presión en sus dos entradas a la vez. Esta válvula se suele usar como elemento principal en el mando de las prensas, para tener las dos manos ocupadas lejos de la zona peligrosa.

6.3.- VÁLVULAS REGULADORAS

Regulador de caudal

Se utiliza para controlar la velocidad de un cilindro o un motor, dificultando la entrada de fluido que lo activa. La regulación se obtiene taponando más o menos una abertura mediante un tornillo regulable. La regulación puede ser en ambos sentidos de circulación, y entonces tenemos válvulas reguladoras bidireccionales.

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Regulador bidireccional

Regulador unidireccional

Pero lo más normal es usar una válvula reguladora unidireccional, asociando una bidireccional con una antirretorno, y de esta forma se regula el caudal en un sentido y se permite el paso libre en el otro. Ésto se hace para tener una carrera de trabajo lenta y otra de retroceso rápida en los cilindros de doble efecto, y debido a la pérdida de presión que origina el paso por el estrechamiento, estas válvulas se colocan siempre en el conducto de salida o de vuelta del fluido.

Válvula limitadora de presión

Se utilizan para limitar la presión de trabajo a un valor máximo y proteger la instalación contra sobrecargas. Se trata de un tapón que se abre cuando la presión supera un valor establecido por la tensión del muelle.

En las instalaciones hidráulicas siempre se colocan válvulas limitadoras de presión con todos los filtros para asegurar el suministro de aceite cuando aquéllos se taponan.

Temporizador

Retarda la llegada de presión a una vía. Para ello consta de un estrangulador o pequeño regulador unidireccional, una cámara de acumulación o depósito que el fluido tarda un tiempo en llenar y alcanzar la presión necesaria para pilotar una válvula de paso.

Convertidor de presión

Almacena el aceite necesario para un trabajo hidráulico, al cual se le impulsa con el aire de un

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circuito neumático. También existen convertidores que aprovechan la presión del aceite para comprimir aire, como en las suspensiones hidroneumáticas patentadas por Citroën.

7.- CIRCUITOS

A los actuadores y válvulas vistos hasta ahora les llega el fluido a presión a través de tuberías rígidas y racores flexibles, y el acoplamiento se realiza mediante bayoneta o garras cuando debe ser extraíble, y con asiento cónico y tuerca si son fijos.

Acoplamiento de bayoneta

Acoplamiento rápido

Acoplamiento cónico

Además hay una larga serie de accesorios como son los soportes, fijaciones, rótulos de aviso, etc.

7.1.- CIRCUITOS AUTOMÁTICOS Y SEMIAUTOMÁTICOS

Cualquier montaje tiene unos elementos de trabajo y unas válvulas que los controlan. El esquema de todo circuito responde al siguiente diagrama de bloques:

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En instalaciones manuales (en las que el ciclo se interrumpe si el operario suspende la acción de mando) los dos primeros bloques los suple el operario, mientras que en procesos semiautomáticos (cada ciclo de trabajo empieza por orden del operario y continúa sin interrupción) o automáticos (los ciclos se repiten ininterrumpidamente), la labor de captación es desempeñada por topes fin de carrera y la de tratamiento por temporizadores y válvulas de bloqueo.

Los órganos de gobierno son las válvulas distribuidoras de mando directo (cuando el operador tiene contacto con ellas) o indirecto (están controladas por acción neumática, electroimán, etc.), y los órganos de trabajo son los cilindros y motores.

7.2.- COMENTARIO DE CIRCUITOS

Cuando se analiza un circuito neumático, primero hay que identificar todos los elementos del mismo, y a continuación se numeran con el siguiente criterio:

Cuando hay una unidad de mantenimiento, ésta lleva la identificación 0.1.

A los actuadores se les asigna un número entero seguido de un punto y un cero (1.0, 2.0,...)

Las válvulas que controlan directamente a esos actuadores se les pone el pimer número entero igual que el que tenga el actuador, un punto y un uno (1.1, 2.1,...)

Las válvulas manuales o captadoras de señal (finales de carrera), se van numerando el pimer número entero igual que el que tenga el actuador, un punto y otro número (1.2, 1.3,...) que aumenta conforme se vaya alejando del mando del actuador. Los elementos que intervengan en la salida del vástago tendrán números pares y los que intevengan en la entrada, impares.

Las válvulas reguladoras y de bloqueo se numeran con el pimer número entero igual que el que tenga el actuador, un punto y dos cifras (1.02, 1.03,...), par par si afectan a la salida del vástago e impar si intervienen en el retroceso.

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A continuación se analiza la secuencia de funcionamiento, y a veces se realiza un diagrama de funcionamiento denominado grafcet (gráfica de control de etapas de transición), donde se analiza la secuencia de funcionamiento del circuito:

se dibuja un diagrama espacio-tiempo o cronograma, analizando los cambios de posición de los distintos elementos del circuito.

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Por último, se redacta el funcionamiento.

7.3.- ELECTRONEUMÁTICA

Todos los elementos que hemos visto hasta el momento tienen una respuesta relativamente lenta. Para acelerar los procesos y superar esta "lentitud", cada vez con más frecuencia se utiliza la electro-neumática, de la que tienes una introducción en el siguiente enlace:

http://demo.imh.es/DemoElectro.htm

En esta página también puedes repasar teoría con animaciones extraordinarias.

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http://demo.imh.es/DemoElectro.htm

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